Développement de méthodes rapides pour l analyse des cyanotoxines

Développement de méthodes rapides pour l analyse des cyanotoxines Sébastien Sauvé, Michèle Prévost, Pascal Lemoine, Liza Viglino, Audrey Roy-Lachapelle, Arash Zamyadi et Sherri Macleod Département de chimie sebastien.sauve@umontreal.ca

Collaborateurs Michèle Prévost, École Polytechnique Christian Gagnon, Environnement Canada Jonathan Beck, ThermoFisher Christian Deblois, Ministère du Développement durable, de l'environnement et des Parcs Pierre Picard, Phytronix Technologies Inc

Objectifs Accès aux standards Méthode SPE-LC-MS/MS multi-toxines Méthode(s) LDTD-APCI-MS/MS Anatoxine Microcystines

Accès aux standards Difficultés pour l obtention de standards Évalué la possibilité de produire nous-même certaines toxines Réussi à acquérir les standards qu on ciblait On a donc focalisé nos efforts et ressources vers les autres objectifs Ce serait possible de cibler certaines toxines encore manquantes mais ça représente des efforts significatifs Certains travaux avec Poly comme «source»

Sébastien Sauvé, Département de chimie Méthode SPE-LC- MS/MS Multi-toxines en haute pression

SPE: Enrichissement (solid phase extraction)

Extraction SPE automatique (Online SPE) 1.0 ml SPE Chromatographie MS/MS Déchets La totalité des analytes dans le 1.0 ml sera injectée dans le détecteur MS

LC-MS/MS ThermoElectron TSQ Quantum EQuan MAX System Détection: Spectrométrie de masse en tandem (mode de suivi ciblé - selected reaction monitoring SRM)

Tandem Mass Spectrometry (MS/MS) Argon-induced Fragmentation O NH 2 S O N O m/z=156.0 NH 2 H N H S O O NH 2 m/z=108.0 N O Sulfamethoxazole+H + m/z= 254.0 m/z=92.0

Cyanotoxines par LC-MS/MS Défi analytique à relever: développer une méthode d analyse simultanée de différentes classes de cyanotoxines.

Composés ciblés Compound pka Molecular Weight (g mol -1 ) Cylindrospermopsin 8.8 415 Anatoxin-a 9.4 165 Phenylalanine (interferent) 1.83 165 9.13 Nodularin 825 M-RR 3.5 1038 Seven microcystin M-YR 3.5 1045 M-LR 3.5 995 Dm-LR 981 M-LY 1002 M-LW 1025 M-LF 986

Défis analytiques Analyser plus rapidement! éliminer l extraction sur phase solide (SPE) et utiliser la SPE automatisée utiliser un système de colonnes, pompes et valves procurant une analyse rapide, malgré la haute pression(> 600 bar) Résoudre l interférence de la phénylalanine sur l anatoxine-a la même masse et fragments besoin d éliminer les faux positifs http://fav.me/dsk92w

Anatoxin-a Cylindrospermopsin Nodularin Relative Abundance (%) MC-LR MC-RR dm-mc-lr MC-LF SPE-UPLC/MSMS, standards @ 1 µg l -1 MC-LY MC-LW MC-YR Time (min)

Anatoxine-a et phénylalanine Séparation des isobars par chromatographie Quantification avec le fragment spécifique de l anatoxine-a (166.10 > 43.3) Intensity 400000 anatoxine-a 200000 0 3000000 2000000 1000000 0 1500000 1000000 500000 166.10 > 43.3 quantification phénylalanine 166.10 > 120.0 anatoxine-a 166.10 > 131.1 0 1000000 500000 anatoxine-a 166.10 > 149.1 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Performances Toxin Parent Fragment Recovery R 2 Slope (x10-4 ) MDL (ng/l) cylindrospermopsin 416.10 194.10 98 0.9913 5.5 0.2 anatoxin-a 166.10 149.10 10 0.9949 8.6 10 MC-RR 519.76 135.00 56 0.9989 104.4.01 MC-YR 1045.60 135.20 96 0.9997 2.5 17 nodularin 825.39 135.20 n/a - MC-LR 995.65 134.80 109 0.9936 5.7 1 dm-mc-lr 981.60 135.00 106 0.9933 8.8 3 MC-LY 1002.65 135.15 138 0.9984 2.0 - MC-LW 1025.67 891.40 140 0.9982 3.1 9 MC-LF 986.63 213.11 138 0.9911 2.6 1

Pertes par filtration Filter Nylon Source Chromspec Polyester (PETE) Nitrocellulose Nitrocellulose-ester (MCE) Polyethersulfone (PES) Polycarbonate (PCTE) Sterlitech Polypropylen (PP) Teflon (PTFE) Silver metal membrane Pre-column filter Thermo-Fisher

Recouvrement après filtration

Impact du prétraitement des échantillons sur l'analyse des toxines Adsorption des toxines libérées par gel dégel MC-LR eq. (ug/l) kit ELISA 60 50 40 30 20 10 0 Gel/dégel - sans filtration Gel/dégel - avec filtration Remise en solution du filtre dans Milli-Q Total libéré + remis en suspension

Conclusion SPE-Online Validation en comparant avec le CEAEQ Identifié un problème de sorption des cyanotoxines sur les membranes filtres Doit compléter et répéter certaines analyses de sorption sur les membranes filtres

Analyse de cyanotoxines par LDTD-APCI-MS/MS 15 sec/échantillon au lieu de 15-20 min LC- MSMS Principes de fonctionnement de la LDTD: technique qui combine la désorption thermique (laser) + APCI déposition (petit volume 1-5 μl) sur une plaque (96 puits); séchage 2 min analytes neutres désorbent sous l effet de chaleur générée par le laser aiguille à décharge corona va ioniser les analytes (mode + ou -) gaz (air) assure le transfert des analytes des puits vers le MS Échantillonneur 960 échantillons

LDTD-APCI-MS/MS (1) (3) (4) (5) (1) Laser infrarouge (980 nm, 20W) : ajustement de la puissance voulue (2) Plaque LazWell 96 positions: désorption des analytes (volume 1 10 μl) (3) Tube de transfert des analytes neutres désorbés (4) Aiguille pour l ionisation des composés (en mode + ou -) (5) Entrez vers le MS des analytes chargés (2)

Résultats / défi Seule l anatoxine-a est vaporisable et ionisable par LDTD-APCI. 166.03>149.06 Interférence de la Phénylalanine et pistes possibles: Patron de désorption (intensité du signal vs puissance laser utilisée). Optimisation des SRMs (fragments communs). 166.06>149.02

Séparation par gradient de puissance laser de la LDTD 1.2E+07 3.1E+05 ANA-a Peak Area 8.0E+06 4.0E+06 ANA-a 2.1E+05 1.1E+05 PHE Peak Area PHE 0.0E+00 1.0E+04 0 10 20 30 40 50 60 Laser Power (%)

Performances (anatoxine-a) Calibration type R 2 Linearity range (µg/l) MDL (µg/l) MLQ (µg/l) Standards Avg. RSD (%) External 0.999 3 250 1 3 8 Internal 0.998 5 250 1 4 5

Dernier Défi microcystines par LDTD-APCI-MS/MS Plus ambitieux, mais comme on a réussit pour l anatoxine on va essayer Microcystines ne se volatisent pas par LDTD Cheminement plus complexe

Approche de la détection des microcystines - Oxydation de la toxine pour former le fragment volatile cible MMPB - Détection par LDTD-APCI-MS/MS (Adda) Squelette de la Microcystine X et Z : Variable Mdha : N-méthyldéhydroalanine Masp : D-érythro-b-méthyl-D-acide aspartique Adda : acide (2S, 3S, 8S, 9S)-3-amino-9-méthoxy-2-6-8-triméthyl-10-phényldéca-4,6-diènoïque

Oxydation de la microcystine KMnO 4 + NaIO 4 Microcystine MMPB Oxydation en solution alcaline (ph = 9) pendant 3h à température ambiante. Extraction liquide avec acétate d éthyle K. Kaya, T.Sano. Analytica Chimica Acta 386 (1999) 107-112.

Détection du MMPB Quantification du MMPB par étalonnage interne, avec l acide 4-phénylbutirique par LDTD-APCI-MS/MS MMPB Acide 4-phénylbutirique Données préliminaires de performance: R 2 : 0,995 Linearity range: 1 500 µg/l LOD: 1 µg/l LOQ: 3 µg/l Standards Avg. RSD: 9% K. Tsuji et al. Toxicon 39 (2001) 687-692.

Remerciements Partenaires et organismes subventionnaires:

Questions? sebastien.sauve@umontreal.ca

Exemple de chromatogramme limites de détection 10-300 ng/l co-élutions: MC-LR & dm-lr MC-LW & LF 100mm colonne 2x longueur: > temps, > pression > débit = > pression Intensity 10000 5000 0 2000 0 100000 0 2000 0 5000 0 2000 200 0 00 100 0 200 PERIODE DE CHARGE 1.66 1.91 cylindrospermopsine anatoxine-a 3.31 3.77 MC-RR 3.90 3.89 MC-YR MC-LR dm-mc-lr 5.06 5.26 5.29 416.11 >193.10 166.10 > 43.30 519.76 > 135.00 1045. 60 > 135.20 981.60 > 135.00 995.65 > 134.80 1002.65 > 134.60 MC-LY MC-LW MC-LF 0 0 1 2 3 4 5 6 Time (min) ÉLUTION 1025.67 > 891.40 986.63 > 213.11

Specific SRM conditions for determination of cyanotoxines Toxin T R Ionisation Parent ion MS/MS transition CE (ev) Tube lens (V) Cylindrospermopsin 1.67 ESI + [M + H] + 416.1 > 194.1 a 37 151 416.1 > 176.1 31 151 Anatoxin-a 1.81 ESI + [M + H] + 166.1 > 149.1 a 11 86 166.1 > 131.1 10 86 166.1 > 43.3 22 86 Phenylalanine (interferent) 2.22 ESI + [M + H] + 166.1 > 120 a 13 125 MC-RR 3.42 ESI + [M + 2H] 2+ 519.8 > 135 a 31 138 519.8 > 102.9 70 138 519.8 > 105.1 47 138 MC-YR 3.83 ESI + [M + H] + 1045.6 > 135.2 58 183 1045.6 > 213.1 a 58 183 Nodularin 3.63 ESI + [M + H] + 825.4 > 135.2 a 50 148 MC-LR 3.95 ESI + [M + H] + 995.7 > 134.8 a 57 198 995.7 > 213 39 198 dm-mc-lr 3.98 ESI + [M + H] + 981.6 > 135 a 65 206 981.6 > 361.25 46 206 981.6 > 163.11 68 206 MC-LY 5.10 ESI + [M + H] + 1002.7 > 135.15 37 118 1002.7 > 213.11 63 118 1002.7 > 265.1 a 50 125 1002.7 > 375.12 27 118 MC-LW 5.29 ESI + [M + H] + 1025.7 > 891.4 a 24 164 1025.7 > 583.18 29 164 1025.7 > 213 43 164 MC-LF 5.31 ESI + [M + H] + 986.6 > 213.11 a 34 150 a The first transition listed for each component was the transition used for quantitation while the following are for confirmation of the compound. 986.6 > 375.21 22 150

LDTD: Optimisation Paramètres influençant l ionisation et la désorption thermique des analytes par LDTD-MSMS: puissance (%) et patron du laser solvant de déposition dans lequel se trouve l analyte la masse de déposition (volume de déposition) le débit du gaz (air) de transport Référence: Fayad B.P., Anal.Chem., 2010 (82), 639.

LDTD: Optimisation Paramètres influençant l ionisation et la désorption thermique des analytes par LDTD-MSMS: puissance et patron du laser solvant de déposition dans lequel se trouve l analyte la masse de déposition (volume de déposition) le débit du gaz (air) de transport Référence: Fayad B.P., Anal.Chem., 2010 (82), 639.

LDTD: Optimisation Paramètres influençant l ionisation et la désorption thermique des analytes par LDTD-MSMS: puissance et patron du laser solvant de déposition dans lequel se trouve l analyte la masse de déposition (volume de déposition) le débit du gaz (air) de transport exemple : PROG mode PI Référence: Fayad B.P., Anal.Chem., 2010 (82), 639.

LDTD: Optimisation Paramètres influençant l ionisation et la désorption thermique des analytes par LDTD-MSMS: puissance et patron du laser solvant de déposition dans lequel se trouve l analyte la masse de déposition (volume de déposition) le débit (ml/min) du gaz (air) de transfert Référence: Fayad B.P., Anal.Chem., 2010 (82), 639.

Solid phase extraction SPE cartridge Sample 100-500 ml offline 1 ml online

Solid phase extraction SPE Cartridge Sample 200 ml Wash

Solid phase extraction SPE Cartridge Elution offline Into ~250 µl

Solid phase extraction offline 10 µl of 250 µl Chromatographie MS/MS Seulement un aliquot de la SPE se rend au détecteur MS

Reconstitution 250 μl phase mobile phase avec étalon interne 2 min bain ultrason 5 min centrifugation pour bien dissoudre Injection de 1-10 µl dans le MS